JP2020043282A - Storage device - Google Patents

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英二 北川
永ミン 李
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永ミン 李
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Tadaaki Oikawa
忠昭 及川
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Kenichi Yoshino
健一 吉野
澤田 和也
Kazuya Sawada
和也 澤田
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Taiga Isoda
大河 磯田
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Abstract

To provide a high-quality storage device.SOLUTION: The storage device includes a variable resistance element 22. The variable resistance element 22 includes a stacked body 120, the stacked body including a ferromagnetic body 210, a ferromagnetic body 230, and a nonmagnetic body 220 provided between the ferromagnetic body 210 and the ferromagnetic body 230 and containing a boron-added rare earth oxide. If a structure containing the two ferromagnets is used as a storage layer, reversal of magnetization directions of the two ferromagnetic bodies can be efficiently performed by using an STT between the two ferromagnetic bodies, and a write current of the storage layer can be reduced.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

実施形態は、記憶装置に関する。   Embodiments relate to a storage device.

磁気素子を有する記憶装置が知られている。   A storage device having a magnetic element is known.

米国特許出願公開第2017/0263858号明細書US Patent Application Publication No. 2017/0263858

高品質な記憶装置を提供する。   Provide a high-quality storage device.

実施形態の記憶装置は、抵抗変化素子を具備し、前記抵抗変化素子は、第1強磁性体と、第2強磁性体と、前記第1強磁性体および前記第2強磁性体の間に設けられた、ボロン添加希土類酸化物を含む第1非磁性体とを含む積層体を備える。   The storage device according to the embodiment includes a resistance change element, wherein the resistance change element is provided between a first ferromagnetic material, a second ferromagnetic material, and the first ferromagnetic material and the second ferromagnetic material. And a first non-magnetic material including a boron-added rare earth oxide.

第1実施形態に係る記憶装置の構成の一例を示すブロック図。FIG. 2 is a block diagram illustrating an example of a configuration of a storage device according to the first embodiment. 第1実施形態に係る記憶装置のメモリセルの構成の一例を示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating an example of a configuration of a memory cell of the storage device according to the first embodiment. 第1実施形態に係る記憶装置の抵抗変化素子の構成の一例を示す断面図。FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating an example of the configuration of the variable resistance element of the storage device according to the first embodiment. 図3に示した積層体の一例を含む例示的な積層体の断面図、および、図3に示した積層体に類似する構成を含む例示的な積層体の断面図。FIG. 4 is a cross-sectional view of an exemplary laminate including an example of the laminate illustrated in FIG. 3 and a cross-sectional view of an exemplary laminate including a configuration similar to the laminate illustrated in FIG. 3. 図4Aに示した各積層体に外部磁場を印加した際に測定された磁化量の値をプロットしたグラフの一例を示す図。FIG. 4B is a diagram showing an example of a graph in which the value of the amount of magnetization measured when an external magnetic field is applied to each of the laminates shown in FIG. 4A is plotted. 第1実施形態に係る記憶装置において抵抗変化素子を高抵抗状態に設定する書き込み動作の一例を示す模式図。FIG. 4 is a schematic diagram illustrating an example of a write operation of setting the resistance change element to a high resistance state in the storage device according to the first embodiment. 第1実施形態に係る記憶装置において抵抗変化素子を低抵抗状態に設定する書き込み動作の一例を示す模式図。FIG. 4 is a schematic diagram showing an example of a write operation for setting a variable resistance element to a low resistance state in the storage device according to the first embodiment. 第1実施形態の比較例としての例示的な積層体の断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view of an exemplary laminate as a comparative example of the first embodiment. 図7Aに示した積層体に外部磁場を印加した際に測定された磁化量の値をプロットしたグラフの一例を示す図。FIG. 7B is a view showing an example of a graph in which the value of the amount of magnetization measured when an external magnetic field is applied to the laminate shown in FIG. 7A.

以下、図面を参照して実施形態について説明する。なお、以下の説明において、同一の機能および構成を有する構成要素については、共通する参照符号を付す。また、共通する参照符号を有する複数の構成要素を区別する場合、当該共通する参照符号に添え字を付して区別する。なお、複数の構成要素について特に区別を要さない場合、当該複数の構成要素には、共通する参照符号のみが付され、添え字は付さない。   Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. In the following description, components having the same functions and configurations are denoted by the same reference numerals. When a plurality of components having a common reference numeral are distinguished, the common reference numeral is distinguished by adding a suffix. In the case where it is not particularly necessary to distinguish a plurality of constituent elements, the plurality of constituent elements are given only common reference numerals, and no suffix is added.

<第1実施形態>
第1実施形態に係る記憶装置について説明する。第1実施形態に係る記憶装置は、例えば、磁気トンネル接合(MTJ:Magnetic Tunnel Junction)によるトンネル磁気抵抗(TMR:Tunneling Magnetoresistance)効果を利用する抵抗変化素子を記憶素子として用いた、垂直磁化方式による磁気記憶装置(MRAM:Magnetoresistive Random Access Memory)を含む。なお、TMR効果とは、磁場の印加により強磁性体の磁化方向を変化させ、それによりトンネル電流が流れる際の電気抵抗が変化する現象である。以下の説明では、記憶装置の一例として、上述した磁気記憶装置について説明する。
<First embodiment>
The storage device according to the first embodiment will be described. The storage device according to the first embodiment employs, for example, a perpendicular magnetization method using, as a storage element, a resistance change element utilizing a tunneling magnetoresistance (TMR) effect by a magnetic tunnel junction (MTJ: Magnetic Tunnel Junction). It includes a magnetic storage device (MRAM: Magnetoresistive Random Access Memory). Note that the TMR effect is a phenomenon in which the magnetization direction of a ferromagnetic material is changed by applying a magnetic field, thereby changing the electric resistance when a tunnel current flows. In the following description, the above-described magnetic storage device will be described as an example of the storage device.

[構成例]
(1)記憶装置の構成
先ず、第1実施形態に係る記憶装置の構成について説明する。
図1は、第1実施形態に係る記憶装置1の構成の一例を示すブロック図である。図1に示すように、記憶装置1は、メモリセルアレイ11、カレントシンク12、センスアンプおよび書き込みドライバ(SA/WD)13、ロウデコーダ14、ページバッファ15、入出力回路16、ならびに制御部17を含む。
[Configuration example]
(1) Configuration of Storage Device First, the configuration of the storage device according to the first embodiment will be described.
FIG. 1 is a block diagram illustrating an example of a configuration of the storage device 1 according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the storage device 1 includes a memory cell array 11, a current sink 12, a sense amplifier and a write driver (SA / WD) 13, a row decoder 14, a page buffer 15, an input / output circuit 16, and a control unit 17. Including.

メモリセルアレイ11は、行(ロウ)および列(カラム)に対応付けられた複数のメモリセルMCを含む。例えば、同一行に対応付けられたメモリセルMCは、同一のワード線WLに接続される。例えば、同一列に対応付けられたメモリセルMCの第1端は、同一のビット線BLに接続され、同一列に対応付けられたメモリセルMCの第2端は、同一のソース線/BLに接続される。   The memory cell array 11 includes a plurality of memory cells MC associated with a row (row) and a column (column). For example, the memory cells MC associated with the same row are connected to the same word line WL. For example, a first end of the memory cell MC associated with the same column is connected to the same bit line BL, and a second end of the memory cell MC associated with the same column is connected to the same source line / BL. Connected.

カレントシンク12は、ビット線BLおよびソース線/BLに接続される。カレントシンク12は、データの書き込みおよび読み出し等の動作において、ビット線BLまたはソース線/BLを接地電位とする。   Current sink 12 is connected to bit line BL and source line / BL. The current sink 12 sets the bit line BL or the source line / BL to the ground potential in operations such as data writing and reading.

SA/WD13は、書き込みドライバWDおよびセンスアンプSAを含む。例えば、書き込みドライバWDの各々は、対応付けられたビット線BLおよびソース線/BLに接続される。例えば、センスアンプSAの各々は、対応付けられたビット線BLに接続される。書き込みドライバWDの各々は、上記対応付けられたビット線BLおよびソース線/BLを介して対象のメモリセルMCに電流を供給し、そのメモリセルMCへのデータの書き込みを行う。また、センスアンプSAの各々は、上記対応付けられたビット線BLを介して対象のメモリセルMCに電流を供給し、そのメモリセルMCからのデータの読み出しを行う。   SA / WD 13 includes a write driver WD and a sense amplifier SA. For example, each of the write drivers WD is connected to the associated bit line BL and source line / BL. For example, each of the sense amplifiers SA is connected to an associated bit line BL. Each of the write drivers WD supplies a current to the target memory cell MC via the bit line BL and the source line / BL associated with each other, and writes data to the memory cell MC. Further, each of the sense amplifiers SA supplies a current to the target memory cell MC via the bit line BL associated with the sense amplifier SA, and reads data from the memory cell MC.

ロウデコーダ14は、ワード線WLを介してメモリセルアレイ11と接続される。ロウデコーダ14は、メモリセルアレイ11が接続されるワード線WLを指定するロウアドレスをデコードする。その後、ロウデコーダ14は、デコードされたロウアドレスにより指定されるワード線WLを選択し、選択されたワード線WLにデータの書き込みおよび読み出し等の動作を可能とする電圧を印加する。   Row decoder 14 is connected to memory cell array 11 via word line WL. The row decoder 14 decodes a row address designating the word line WL to which the memory cell array 11 is connected. After that, the row decoder 14 selects a word line WL specified by the decoded row address, and applies a voltage that enables operations such as data writing and reading to the selected word line WL.

ページバッファ15は、メモリセルアレイ11内に書き込まれるデータ、および、メモリセルアレイ11から読み出されたデータを、ページと呼ばれるデータ単位で一時的に保持する。   The page buffer 15 temporarily holds data to be written in the memory cell array 11 and data read from the memory cell array 11 in data units called pages.

入出力回路16は、記憶装置1の外部から受信した各種信号を制御部17およびページバッファ15に送信し、制御部17およびページバッファ15からの各種情報を記憶装置1の外部に送信する。   The input / output circuit 16 transmits various signals received from the outside of the storage device 1 to the control unit 17 and the page buffer 15, and transmits various information from the control unit 17 and the page buffer 15 to the outside of the storage device 1.

制御部17は、カレントシンク12、SA/WD13、ロウデコーダ14、ページバッファ15、および入出力回路16と接続される。制御部17は、入出力回路16が記憶装置1の外部から受信した各種信号にしたがい、カレントシンク12、SA/WD13、ロウデコーダ14、およびページバッファ15を制御する。   The control unit 17 is connected to the current sink 12, the SA / WD 13, the row decoder 14, the page buffer 15, and the input / output circuit 16. The control unit 17 controls the current sink 12, the SA / WD 13, the row decoder 14, and the page buffer 15 in accordance with various signals received by the input / output circuit 16 from outside the storage device 1.

(2)メモリセルの構成
次に、第1実施形態に係る記憶装置のメモリセルの構成について説明する。
図2は、第1実施形態に係る記憶装置1のメモリセルMCの構成の一例を示す断面図である。以下の説明では、半導体基板20に平行な面をxy平面として定義し、z軸として、例えば、当該xy平面に垂直な軸を定義する。x軸およびy軸は、例えば、xy平面内で互いに直交する軸として定義される。図2に示す断面図は、上記メモリセルMCをxz平面で切断したものに対応する。以下の説明では、z軸の正の向きに向かう方向を上方として、z軸の負の向きに向かう方向を下方として説明を行う。
(2) Configuration of Memory Cell Next, the configuration of the memory cell of the storage device according to the first embodiment will be described.
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating an example of a configuration of the memory cell MC of the storage device 1 according to the first embodiment. In the following description, a plane parallel to the semiconductor substrate 20 is defined as an xy plane, and, for example, an axis perpendicular to the xy plane is defined as a z-axis. The x-axis and the y-axis are defined as, for example, axes that are orthogonal to each other in the xy plane. The cross-sectional view shown in FIG. 2 corresponds to a cross section of the memory cell MC cut along the xz plane. In the following description, the direction toward the positive direction of the z-axis will be described as upward, and the direction toward the negative direction of the z-axis will be described below.

図2に示すように、メモリセルMCは、半導体基板20上に設けられ、選択トランジスタ21と、抵抗変化素子22とを含む。選択トランジスタ21は、抵抗変化素子22へのデータの書き込みおよび読み出しの際に電流の供給および停止を制御するスイッチとして設けられる。抵抗変化素子22は、例えば、積層された複数の物質を含む。層の界面を貫く方向、例えば層の界面に垂直な方向に流れる電流によって、抵抗変化素子22の抵抗値を低抵抗状態と高抵抗状態との間で切り替えることが可能である。その抵抗状態の変化を利用することによって抵抗変化素子22へのデータの書き込みが可能であり、抵抗変化素子22は、書き込まれたデータを不揮発に保持し当該データの読み出しが可能な記憶素子として機能する。   As shown in FIG. 2, the memory cell MC is provided on a semiconductor substrate 20, and includes a selection transistor 21 and a variable resistance element 22. The selection transistor 21 is provided as a switch that controls supply and stop of current when writing and reading data to and from the variable resistance element 22. The resistance change element 22 includes, for example, a plurality of stacked substances. The resistance value of the resistance change element 22 can be switched between a low resistance state and a high resistance state by a current flowing in a direction penetrating the layer interface, for example, a direction perpendicular to the layer interface. Data can be written to the variable resistance element 22 by utilizing the change in the resistance state, and the variable resistance element 22 functions as a storage element that holds the written data in a nonvolatile manner and can read the data. I do.

選択トランジスタ21は、ワード線WLとして機能する配線層23に接続されたゲートと、当該ゲートのx方向に沿う両端において半導体基板20の表面に設けられた1対のソース領域またはドレイン領域24とを含む。選択トランジスタ21は、半導体基板20の活性領域に形成される。活性領域は、例えば、他のメモリセルMCの活性領域に電気的に接続されないように、素子分離領域(STI:Shallow Trench Isolation)(図示せず)によって互いに絶縁される。   The selection transistor 21 includes a gate connected to a wiring layer 23 functioning as a word line WL, and a pair of source or drain regions 24 provided on the surface of the semiconductor substrate 20 at both ends of the gate in the x direction. Including. The selection transistor 21 is formed in an active region of the semiconductor substrate 20. The active regions are insulated from each other by, for example, an element isolation region (STI: Shallow Trench Isolation) (not shown) so as not to be electrically connected to the active region of another memory cell MC.

配線層23は、半導体基板20上の絶縁層25を介してy方向に沿って設けられており、例えば、y方向に沿って並ぶ他のメモリセルMCの選択トランジスタ21(図示せず)のゲートに共通して接続される。配線層23は、例えばx方向に並ぶ。   The wiring layer 23 is provided along the y direction via the insulating layer 25 on the semiconductor substrate 20. For example, the gate of the select transistor 21 (not shown) of another memory cell MC arranged in the y direction is provided. Connected in common. The wiring layers 23 are arranged, for example, in the x direction.

選択トランジスタ21の一方のソース領域またはドレイン領域24上には、コンタクトプラグ26が設けられる。コンタクトプラグ26の上面上には、抵抗変化素子22が設けられる。抵抗変化素子22の上面上にはコンタクトプラグ27が設けられる。コンタクトプラグ27の上面は、配線層28に接続される。配線層28は、ビット線BLとして機能し、x方向に沿って設けられており、例えばx方向に並ぶ他のメモリセルMCの抵抗変化素子22(図示せず)に共通して接続される。   A contact plug 26 is provided on one of the source region or the drain region 24 of the selection transistor 21. The resistance change element 22 is provided on the upper surface of the contact plug 26. A contact plug 27 is provided on the upper surface of the resistance change element 22. The upper surface of the contact plug 27 is connected to the wiring layer 28. The wiring layer 28 functions as the bit line BL, is provided along the x direction, and is commonly connected to, for example, the resistance change element 22 (not shown) of another memory cell MC arranged in the x direction.

選択トランジスタ21の他方のソース領域またはドレイン領域24上には、コンタクトプラグ29が設けられる。コンタクトプラグ29の上面は配線層30に接続される。配線層30は、ソース線/BLとして機能し、x方向に沿って設けられており、例えばx方向に並ぶ他のメモリセルMCの選択トランジスタ21(図示せず)に共通して接続される。   A contact plug 29 is provided on the other source region or drain region 24 of the select transistor 21. The upper surface of contact plug 29 is connected to wiring layer 30. The wiring layer 30 functions as the source line / BL, is provided along the x direction, and is commonly connected to, for example, the selection transistors 21 (not shown) of other memory cells MC arranged in the x direction.

配線層28および30は、例えばy方向に並ぶ。配線層28は、例えば配線層30の上方に位置する。選択トランジスタ21、抵抗変化素子22、配線層23,28,および30、ならびに、コンタクトプラグ26,27,および29は、層間絶縁膜31によって被覆される。   The wiring layers 28 and 30 are arranged, for example, in the y direction. The wiring layer 28 is located, for example, above the wiring layer 30. The select transistor 21, the resistance change element 22, the wiring layers 23, 28, and 30, and the contact plugs 26, 27, and 29 are covered with an interlayer insulating film 31.

なお、抵抗変化素子22に対してx方向またはy方向に沿って並ぶ他の抵抗変化素子22(図示せず)は、例えば同一の階層上に設けられる。すなわち、メモリセルアレイ11内において、複数の抵抗変化素子22が、例えば半導体基板20の広がる方向に沿って並ぶ。   The other variable resistance elements 22 (not shown) arranged along the x direction or the y direction with respect to the variable resistance element 22 are provided, for example, on the same layer. That is, in the memory cell array 11, the plurality of resistance change elements 22 are arranged, for example, along the direction in which the semiconductor substrate 20 spreads.

(3)抵抗変化素子の構成
次に、第1実施形態に係る記憶装置の抵抗変化素子の構成について説明する。
図3は、第1実施形態に係る記憶装置1の抵抗変化素子22の構成の一例を示す断面図である。図3に示す断面図は、抵抗変化素子22を上述したxz平面で切断したものに対応する。
(3) Configuration of Variable Resistance Element Next, the configuration of the variable resistance element of the storage device according to the first embodiment will be described.
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating an example of the configuration of the resistance change element 22 of the storage device 1 according to the first embodiment. The cross-sectional view illustrated in FIG. 3 corresponds to a cross section of the variable resistance element 22 cut along the xz plane described above.

図3に示すように、抵抗変化素子22は、非磁性体110と、積層体120と、非磁性体130と、強磁性体140とを含む。非磁性体110、積層体120、非磁性体130、および強磁性体140は、非磁性体110、積層体120、非磁性体130、および強磁性体140の順で、半導体基板20側からz軸方向に積層される。   As shown in FIG. 3, the resistance change element 22 includes a nonmagnetic body 110, a stacked body 120, a nonmagnetic body 130, and a ferromagnetic body 140. The non-magnetic material 110, the laminated body 120, the non-magnetic material 130, and the ferromagnetic material 140 are z z from the semiconductor substrate 20 side in the order of the non-magnetic material 110, the laminated body 120, the non-magnetic material 130, and the ferromagnetic material 140. Laminated in the axial direction.

非磁性体110は、例えば下地層(under layer)として機能する。非磁性体130は、例えばトンネルバリア層(tunnel barrier layer)として機能する。すなわち、積層体120、非磁性体130、および強磁性体140は磁気トンネル接合を形成する。強磁性体140は、或る方向に固定された磁化を有し、例えば参照層(reference layer)として機能する。   The non-magnetic material 110 functions as, for example, an underlayer. The non-magnetic material 130 functions as, for example, a tunnel barrier layer. That is, the stacked body 120, the non-magnetic body 130, and the ferromagnetic body 140 form a magnetic tunnel junction. The ferromagnetic material 140 has a fixed magnetization in a certain direction, and functions as, for example, a reference layer.

積層体120は、定常状態において、或る方向に沿う可変の磁化を有し、例えば記憶層(storage layer)として機能する。定常状態は、電圧も印加されておらず、かつ磁場の中に位置しておらず、磁化の状態の遷移が終了して安定している状態を指す。   The stacked body 120 has a variable magnetization along a certain direction in a steady state, and functions as, for example, a storage layer. The steady state refers to a state in which no voltage is applied and the magnetic field is not positioned in the magnetic field, and the transition of the magnetization state is completed and stable.

積層体120、非磁性体130、および強磁性体140の組は、TMR効果を示す。TMR効果は、絶縁体を挟んだ2つの強磁性体を含む構造において、2つの強磁性体の磁化の向きが平行であると、構造は最小の抵抗値を示し、2つの強磁性体の磁化の向きが反平行であると、構造が最大の抵抗値を示す現象を指す。抵抗変化素子22は、強磁性体140の磁化方向に対して積層体120の磁化方向が平行か反平行かによって、低抵抗状態および高抵抗状態のいずれかを取ることができる。   A set of the stacked body 120, the non-magnetic body 130, and the ferromagnetic body 140 exhibits the TMR effect. The TMR effect indicates that in a structure including two ferromagnetic materials sandwiching an insulator, when the magnetization directions of the two ferromagnetic materials are parallel, the structure shows the minimum resistance value and the magnetization of the two ferromagnetic materials When the directions are antiparallel, this indicates a phenomenon in which the structure shows the maximum resistance value. The resistance change element 22 can take one of a low resistance state and a high resistance state depending on whether the magnetization direction of the stacked body 120 is parallel or antiparallel to the magnetization direction of the ferromagnetic body 140.

強磁性体140の磁化方向と積層体120の磁化方向が平行の場合、抵抗変化素子22の抵抗値は最も低い。すなわち、抵抗変化素子22は低抵抗状態に設定されている。この低抵抗状態は、「P(Parallel)状態」と呼ばれ、例えばデータ“0”の状態と規定される。   When the magnetization direction of the ferromagnetic body 140 and the magnetization direction of the stacked body 120 are parallel, the resistance value of the resistance change element 22 is the lowest. That is, the resistance change element 22 is set to the low resistance state. This low resistance state is called a “P (Parallel) state” and is defined as, for example, a state of data “0”.

強磁性体140の磁化方向と積層体120の磁化方向が反平行の場合、抵抗変化素子22の抵抗値は最も高い。すなわち、抵抗変化素子22は高抵抗状態に設定されている。この高抵抗状態は、「AP(Anti-Parallel)状態」と呼ばれ、例えばデータ“1”の状態と規定される。   When the magnetization direction of the ferromagnetic material 140 and the magnetization direction of the stacked body 120 are antiparallel, the resistance value of the resistance change element 22 is the highest. That is, the resistance change element 22 is set to the high resistance state. This high resistance state is called an “AP (Anti-Parallel) state” and is defined as, for example, a state of data “1”.

積層体120は、強磁性体210と、非磁性体220と、強磁性体230とを含む。強磁性体210、非磁性体220、および強磁性体230は、強磁性体210、非磁性体220、および強磁性体230の順で、半導体基板20側からz軸方向に積層される。強磁性体210は、例えば第1記憶層として機能する。強磁性体230は、例えば第2記憶層として機能する。非磁性体220は、例えば機能層(function layer)として機能し、トンネルバリア層として機能する。すなわち、強磁性体210、非磁性体220、および強磁性体230は磁気トンネル接合を形成し、TMR効果を示すことができる。   The stacked body 120 includes a ferromagnetic body 210, a non-magnetic body 220, and a ferromagnetic body 230. The ferromagnetic material 210, the non-magnetic material 220, and the ferromagnetic material 230 are stacked in the z-axis direction from the semiconductor substrate 20 side in the order of the ferromagnetic material 210, the non-magnetic material 220, and the ferromagnetic material 230. The ferromagnetic body 210 functions, for example, as a first storage layer. The ferromagnetic material 230 functions, for example, as a second storage layer. The nonmagnetic material 220 functions as, for example, a function layer, and functions as a tunnel barrier layer. That is, the ferromagnetic material 210, the non-magnetic material 220, and the ferromagnetic material 230 form a magnetic tunnel junction, and can exhibit the TMR effect.

強磁性体210の磁化および強磁性体230の磁化は、定常状態において、同一の方向を向いている。よって、積層体120の磁化方向とは、定常状態における強磁性体210および230の磁化方向である。   The magnetization of the ferromagnetic material 210 and the magnetization of the ferromagnetic material 230 are in the same direction in a steady state. Therefore, the magnetization direction of the stacked body 120 is the magnetization direction of the ferromagnetic bodies 210 and 230 in a steady state.

このように、記憶層として機能する構造が、2つの強磁性体210および230によって実現されている。非磁性体220は、強磁性体210および230の間に設けられ、酸化物を含む。このように強磁性体210および230の間に酸化物を設けることにより、強磁性体210および230の磁化を層の界面に対して垂直方向に向ける界面異方性が発生する。このため、積層体120の垂直磁化は、記憶層が1つの強磁性体で構成されている場合よりも高い熱擾乱耐性を有する。また、垂直磁化を有する2つの強磁性体は静磁エネルギーを最小化するためにお互いに平行な状態で安定化する。   Thus, the structure functioning as the storage layer is realized by the two ferromagnetic materials 210 and 230. The non-magnetic body 220 is provided between the ferromagnetic bodies 210 and 230 and includes an oxide. By providing an oxide between the ferromagnetic materials 210 and 230 in this manner, interface anisotropy is generated that directs the magnetization of the ferromagnetic materials 210 and 230 in a direction perpendicular to the interface between the layers. Therefore, the perpendicular magnetization of the stacked body 120 has higher resistance to thermal disturbance than when the storage layer is formed of one ferromagnetic material. Also, the two ferromagnetic materials having perpendicular magnetization are stabilized in parallel with each other in order to minimize magnetostatic energy.

図3に示した抵抗変化素子22は例示に過ぎず、抵抗変化素子22は、上述したもの以外のさらなる層を含んでいてもよい。   The variable resistance element 22 shown in FIG. 3 is merely an example, and the variable resistance element 22 may include additional layers other than those described above.

次に、非磁性体110、積層体120、非磁性体130、および強磁性体140についてさらに説明する。
非磁性体110は、導電性を有し、非磁性体の材料を含む。例えば、非磁性体110は、以下のアルカリ金属、アルカリ土類金属、および希土類金属のような金属元素を含む酸化物、例えば酸化マグネシウム(MgO)、希土類酸化物(YO、LaO、EuO、GdO)、あるいは、以下のアルカリ金属、卑金属および遷移金属のような金属元素を含む窒化物、例えば窒化マグネシウム(MgN)、窒化ジルコニウム(ZrN)、窒化ニオブ(NbN)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ハフニウム(HfN)、窒化タンタル(TaN)、窒化タングステン(WN)、窒化クロム(CrN)、窒化モリブデン(MoN)、窒化チタン(TiN)、および窒化バナジウム(VN)、あるいは、5d遷移金属を含むホウ化物、例えばHfB、TaB等の化合物のうち少なくとも1つを含む。また、非磁性体110は、上述した酸化物、窒化物、またはホウ化物の混合物を含んでいてもよい。すなわち、非磁性体110は、2種類の元素からなる二元化合物に限らず3種類の元素からなる三元化合物を、例えばホウ化酸化物(GdBO)等を含んでいてもよい。
Next, the nonmagnetic material 110, the laminated body 120, the nonmagnetic material 130, and the ferromagnetic material 140 will be further described.
The non-magnetic material 110 has conductivity and includes a non-magnetic material. For example, the non-magnetic material 110 is made of an oxide containing a metal element such as the following alkali metal, alkaline earth metal, and rare earth metal, for example, magnesium oxide (MgO), rare earth oxide (YO, LaO, EuO, GdO). Alternatively, nitrides containing metal elements such as the following alkali metals, base metals and transition metals, for example, magnesium nitride (MgN), zirconium nitride (ZrN), niobium nitride (NbN), aluminum nitride (AlN), hafnium nitride ( HfN), tantalum nitride (TaN), tungsten nitride (WN), chromium nitride (CrN), molybdenum nitride (MoN), titanium nitride (TiN), and vanadium nitride (VN), or a boride containing a 5d transition metal; For example, it contains at least one of compounds such as HfB and TaB. Further, the nonmagnetic material 110 may include a mixture of the above-described oxide, nitride, or boride. That is, the nonmagnetic material 110 may include not only a binary compound composed of two kinds of elements but also a ternary compound composed of three kinds of elements, for example, boride oxide (GdBO) or the like.

非磁性体130は、例えば絶縁性を示し、非磁性体の材料を含む。例えば、非磁性体130は、酸化マグネシウム(MgO)を含む。   The nonmagnetic material 130 has, for example, an insulating property and includes a nonmagnetic material. For example, the non-magnetic body 130 includes magnesium oxide (MgO).

強磁性体140は、導電性を有し、強磁性体140と他の層との界面に垂直な方向、例えばz軸に沿う磁化容易軸を有する強磁性体の材料を含む。例えば、強磁性体140は、垂直磁化を有する強磁性体として鉄コバルトボロン(FeCoB)を含む。なお、抵抗変化素子22は、強磁性体140に対して非磁性体130とは反対側に、さらなる強磁性体として、強磁性体140に対して反平行に磁化を結合させた垂直磁化を有するコバルト白金(CoPt)、コバルトニッケル(CoNi)、およびコバルトパラジウム(CoPd)のうち少なくとも1つを含んでいてもよい。当該さらなる強磁性体の磁化の大きさは、強磁性体140の磁化の大きさより大きい。この2つの強磁性体を反平行に結合させるために、例えばルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)が用いられる。強磁性体140の磁化方向は固定されており、積層体120側かその反対側かのいずれかを向く(図3の例では、積層体120側の反対側を向いている)。「磁化方向が固定されている」とは、本実施形態において使用される、積層体120の磁化方向を反転させる大きさの磁場や電流等によっては、磁化方向が変化しないことを意味する。これに対して、「磁化方向が可変である」とは、上記磁場や電流等によって、磁化方向が変化可能であることを意味する。なお、積層体120の磁化方向の反転とは、積層体120に含まれる強磁性体210および230の各々の磁化方向を、半導体基板20側、強磁性体140側のいずれかの方向に向かっていたものをもう一方の方向に向かうように反転させることをいうものとする。   The ferromagnetic material 140 includes a ferromagnetic material having conductivity and having a direction perpendicular to the interface between the ferromagnetic material 140 and another layer, for example, an easy axis along the z-axis. For example, the ferromagnetic material 140 includes iron cobalt boron (FeCoB) as a ferromagnetic material having perpendicular magnetization. The resistance change element 22 has, as a further ferromagnetic material, perpendicular magnetization in which magnetization is coupled antiparallel to the ferromagnetic material 140 on the opposite side of the ferromagnetic material 140 from the nonmagnetic material 130. At least one of cobalt platinum (CoPt), cobalt nickel (CoNi), and cobalt palladium (CoPd) may be included. The magnitude of the magnetization of the further ferromagnetic material is larger than the magnitude of the magnetization of the ferromagnetic material 140. Ruthenium (Ru) and iridium (Ir) are used, for example, to couple the two ferromagnetic materials antiparallel. The magnetization direction of the ferromagnetic body 140 is fixed, and faces either the laminate 120 side or the opposite side thereof (in the example of FIG. 3, it faces the opposite side to the laminate 120 side). “The magnetization direction is fixed” means that the magnetization direction does not change depending on a magnetic field, a current, or the like having a magnitude that reverses the magnetization direction of the stacked body 120 used in the present embodiment. On the other hand, “the magnetization direction is variable” means that the magnetization direction can be changed by the magnetic field, the current, or the like. The reversal of the magnetization direction of the stacked body 120 means that the magnetization direction of each of the ferromagnetic bodies 210 and 230 included in the stacked body 120 is directed to one of the semiconductor substrate 20 side and the ferromagnetic body 140 side. Means to reverse the object in the other direction.

強磁性体210および230は各々、導電性を有し、強磁性体の材料を含む。例えば、強磁性体210および230は各々、鉄コバルトボロン(FeCoB)またはホウ化鉄(FeB)を含む。   Each of the ferromagnetic materials 210 and 230 has conductivity and includes a ferromagnetic material. For example, ferromagnetic materials 210 and 230 each include iron cobalt boron (FeCoB) or iron boride (FeB).

例えば、強磁性体210の垂直磁気異方性磁界(Hk)は、強磁性体230の垂直磁気異方性磁界より大きい。および(または)、強磁性体210の磁化の共鳴磁場(Hr)は、強磁性体230の磁化の共鳴磁場より大きい。および(または)、強磁性体210の磁化のダンピング定数(α)は、強磁性体230の磁化のダンピング定数より大きい。その目的で、例えば、強磁性体210は、強磁性体230よりも高いボロン含有率を有することができる。および(または)強磁性体210は、強磁性体230よりも小さい膜厚を有することができる。このように強磁性体210および230の垂直磁気異方性磁界共鳴周波数、および(または)ダンピング定数に大小関係を設けることに加えて、強磁性体210および230は次のような構成であってもよい。例えば、強磁性体210の磁化量(Mst)は、強磁性体230の磁化量よりも小さい。磁化量は、強磁性体の飽和磁化(Ms)と膜厚との積で与えられる。その目的で、例えば、強磁性体210は、強磁性体230よりも小さい飽和磁化を有することができる。および(または)強磁性体210は、強磁性体230よりも小さい膜厚を有することができる。強磁性体210の共鳴周波数、ダンピング定数、Msを調整するために鉄コバルトボロン(FeCoB)またはホウ化鉄(FeB)に対して、遷移金属、例えばHf、Ta、W、Re、Ir、Pt、Au、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Ti、V、Cr、Mn、Ni、Cuを含有させてもよい。   For example, the perpendicular magnetic anisotropic magnetic field (Hk) of the ferromagnetic material 210 is larger than the perpendicular magnetic anisotropic magnetic field of the ferromagnetic material 230. And / or, the resonance magnetic field (Hr) of the magnetization of the ferromagnetic material 210 is larger than the resonance magnetic field of the magnetization of the ferromagnetic material 230. And / or the damping constant (α) of the magnetization of the ferromagnetic material 210 is larger than the damping constant of the magnetization of the ferromagnetic material 230. To that end, for example, the ferromagnetic material 210 can have a higher boron content than the ferromagnetic material 230. And / or the ferromagnetic material 210 can have a smaller thickness than the ferromagnetic material 230. In addition to providing the magnitude relation between the perpendicular magnetic anisotropic magnetic field resonance frequency and / or the damping constant of the ferromagnetic materials 210 and 230, the ferromagnetic materials 210 and 230 have the following configuration. Is also good. For example, the magnetization amount (Mst) of the ferromagnetic material 210 is smaller than the magnetization amount of the ferromagnetic material 230. The amount of magnetization is given by the product of the saturation magnetization (Ms) of the ferromagnetic material and the film thickness. To that end, for example, the ferromagnetic material 210 can have a lower saturation magnetization than the ferromagnetic material 230. And / or the ferromagnetic material 210 can have a smaller thickness than the ferromagnetic material 230. In order to adjust the resonance frequency, damping constant, and Ms of the ferromagnetic material 210, a transition metal such as Hf, Ta, W, Re, Ir, Pt, or the like is used for iron cobalt boron (FeCoB) or iron boride (FeB). Au, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Ti, V, Cr, Mn, Ni, and Cu may be contained.

非磁性体220は、例えば誘電体であり絶縁性を示し、ボロン添加(含有)された希土類元素(RE:Rare-earth element)の酸化物を含む。非磁性体220は、トンネルバリア層として機能する。ボロン添加された希土類元素の酸化物(以下、単に「ボロン添加希土類酸化物(RE−B−O:Boron-doped rare-earth oxide)」とも言う。)は、例えば、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、プロメチウム(Pm)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、およびルテチウム(Lu)のうち少なくとも1つの酸化物を含む。このような材料の特徴を有する非磁性体220は、非磁性体220が2つの強磁性体によってサンドイッチ状に挟み込まれる場合、当該2つの強磁性体の垂直磁気異方性(PMA:Perpendicular Magnetic Anisotropy)を維持することができる。すなわち、強磁性体210および230は、強磁性体210および230と別の層との界面を貫く方向に向かう磁化容易軸を有し、例えばz軸に沿う磁化容易軸を有する。よって、強磁性体210および230、ならびに強磁性体140の各々の磁化方向が層の界面に対して垂直となっている。   The nonmagnetic material 220 is, for example, a dielectric material, has insulating properties, and includes a rare-earth element (RE) oxide to which boron is added (contained). The non-magnetic material 220 functions as a tunnel barrier layer. Boron-added rare earth element oxides (hereinafter, also simply referred to as “boron-doped rare-earth oxide (RE-BO)”) are, for example, scandium (Sc), yttrium ( Y), lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), promethium (Pm), samarium (Sm), europium (Eu), gadolinium (Gd), terbium (Tb), dysprosium ( Dy), at least one oxide of holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb), and lutetium (Lu). When the nonmagnetic material 220 having the characteristics of such a material is sandwiched between two ferromagnetic materials, the perpendicular magnetic anisotropy (PMA: Perpendicular Magnetic Anisotropy) of the two ferromagnetic materials is used. ) Can be maintained. That is, the ferromagnetic materials 210 and 230 have an easy axis of magnetization in a direction penetrating the interface between the ferromagnetic materials 210 and 230 and another layer, for example, an easy axis along the z-axis. Therefore, the magnetization directions of the ferromagnetic materials 210 and 230 and the ferromagnetic material 140 are perpendicular to the interface between the layers.

強磁性体210および230の各々の磁化方向は、磁化容易軸に沿って切り替わり可能であり、強磁性体210および230の各々の磁化方向の切り替えによって抵抗変化素子22にデータが書き込まれることができる。その目的で、記憶装置1にスピン注入書き込み方式が適用され得る。スピン注入書き込み方式では、抵抗変化素子22に直接書き込み電流を流し、この書き込み電流によって積層体120の磁化方向が制御される。すなわち、書き込み電流によって生じるスピントランスファートルク(STT:Spin Transfer Torque)効果が利用される。   The magnetization direction of each of the ferromagnetic materials 210 and 230 can be switched along the easy axis of magnetization, and data can be written to the resistance change element 22 by switching the magnetization direction of each of the ferromagnetic materials 210 and 230. . For that purpose, a spin injection writing method can be applied to the storage device 1. In the spin injection writing method, a writing current is directly supplied to the resistance change element 22, and the magnetization direction of the stacked body 120 is controlled by the writing current. That is, a spin transfer torque (STT) effect generated by the write current is used.

抵抗変化素子22に、図3に示す矢印a1の方向、すなわち強磁性体140から積層体120に向かう方向に書き込み電流を流すと、強磁性体140の磁化方向に対して積層体120の磁化方向が反平行になる。   When a write current is applied to the resistance change element 22 in the direction of arrow a1 shown in FIG. 3, that is, in the direction from the ferromagnetic body 140 to the stacked body 120, the magnetization direction of the stacked body 120 with respect to the magnetization direction of the ferromagnetic body 140 Become antiparallel.

抵抗変化素子22に、図3に示す矢印a2の方向、すなわち積層体120から強磁性体140に向かう方向に書き込み電流を流すと、強磁性体140の磁化方向に対して積層体120の磁化方向が平行になる。   When a write current is applied to the resistance change element 22 in the direction of arrow a2 shown in FIG. 3, that is, in the direction from the stacked body 120 to the ferromagnetic body 140, the magnetization direction of the stacked body 120 with respect to the magnetization direction of the ferromagnetic body 140 Become parallel.

(4)記憶層としての強磁性体の垂直磁気異方性
上述したように積層体120が垂直磁気異方性を有することについて説明する。
(4) Perpendicular Magnetic Anisotropy of Ferromagnetic Material as Storage Layer The fact that the laminated body 120 has perpendicular magnetic anisotropy as described above will be described.

図4Aは、図3に示した積層体120の一例を含む例示的な積層体の断面図、および、図3に示した積層体120に類似する構成を含む例示的な積層体の断面図である。各積層体の構成について具体的に説明するが、各積層体に含まれるとして説明する各層は、以下に明示的に示す物質以外の任意の物質を含んでいてもよい。   4A is a cross-sectional view of an exemplary stack including an example of the stack 120 illustrated in FIG. 3 and a cross-sectional view of an exemplary stack including a configuration similar to the stack 120 illustrated in FIG. is there. Although the structure of each laminate is specifically described, each layer described as being included in each laminate may include an arbitrary substance other than the substances explicitly described below.

図4Aの(a)に示す積層体22aでは、酸化マグネシウム(MgO)層310a、鉄コバルトボロン(FeCoB)層320a、ボロン添加ガドリニウム酸化物(GdBO)層330a、鉄コバルトボロン(FeCoB)層340a、酸化マグネシウム(MgO)層350aの順で、各層が積層される。なお、層320aおよび層340aは、同一のボロン含有率および膜厚を有しているものとする。   In the stacked body 22a shown in FIG. 4A, the magnesium oxide (MgO) layer 310a, the iron cobalt boron (FeCoB) layer 320a, the boron-added gadolinium oxide (GdBO) layer 330a, the iron cobalt boron (FeCoB) layer 340a, Each layer is stacked in the order of the magnesium oxide (MgO) layer 350a. Note that the layer 320a and the layer 340a have the same boron content and the same thickness.

図4Aの(b)に示す積層体22bでは、ボロン添加ガドリニウム酸化物(GdBO)層310b、鉄コバルトボロン(FeCoB)層320b、ボロン添加ガドリニウム酸化物(GdBO)層330b、鉄コバルトボロン(FeCoB)層340b、酸化マグネシウム(MgO)層350bの順で、各層が積層される。なお、層320bおよび層340bは、同一のボロン含有率および膜厚を有しているものとする。   In the laminate 22b shown in FIG. 4B, the boron-added gadolinium oxide (GdBO) layer 310b, the iron-cobalt boron (FeCoB) layer 320b, the boron-added gadolinium oxide (GdBO) layer 330b, and the iron-cobalt boron (FeCoB) Each layer is laminated in the order of the layer 340b and the magnesium oxide (MgO) layer 350b. Note that the layer 320b and the layer 340b have the same boron content and the same thickness.

図4Aの(c)に示す積層体22cでは、ハフニウムボロン(HfB)層310c、鉄コバルトボロン(FeCoB)層320c、ボロン添加ガドリニウム酸化物(GdBO)層330c、鉄コバルトボロン(FeCoB)層340c、酸化マグネシウム(MgO)層350cの順で、各層が積層される。なお、層340cと比較して、層320cは、ボロン含有率が高く、膜厚が小さいものとする。このため、層340cと比較して、層320cの垂直磁気異方性磁界は大きい。   In the stacked body 22c shown in FIG. 4C, a hafnium boron (HfB) layer 310c, an iron cobalt boron (FeCoB) layer 320c, a boron-added gadolinium oxide (GdBO) layer 330c, an iron cobalt boron (FeCoB) layer 340c, Each layer is laminated in the order of the magnesium oxide (MgO) layer 350c. Note that the layer 320c has a higher boron content and a smaller thickness than the layer 340c. Therefore, the perpendicular magnetic anisotropy magnetic field of the layer 320c is larger than that of the layer 340c.

図4Aの(d)に示す積層体22dでは、酸化マグネシウム(MgO)層310d、鉄コバルトボロン(FeCoB)層320d、ボロン添加ガドリニウムコバルト酸化物(GdCoBO)層330d、鉄コバルトボロン(FeCoB)層340d、酸化マグネシウム(MgO)層350dの順で、各層が積層される。なお、層320dおよび層340dは、同一のボロン含有率および膜厚を有しているものとする。   In the laminate 22d shown in (d) of FIG. 4A, a magnesium oxide (MgO) layer 310d, an iron cobalt boron (FeCoB) layer 320d, a boron-added gadolinium cobalt oxide (GdCoBO) layer 330d, and an iron cobalt boron (FeCoB) layer 340d Each layer is laminated in the order of a magnesium oxide (MgO) layer 350d. Note that the layer 320d and the layer 340d have the same boron content and the same thickness.

図4Aの(c)に示す積層体22cは、上述した抵抗変化素子22に含まれる積層体120の一例を含む積層体である。具体的には、積層体22cに含まれる層320c、層330c、および層340cからなる部分が、強磁性体210と非磁性体220と強磁性体230とを含む積層体120に対応している。一方、図4Aの(a),(b),および(d)に示す各積層体は、上述した抵抗変化素子22に含まれる積層体120に類似する構成を含んでいる。例えば、図4Aの(a)に示す積層体22aに含まれる層320a、層330a、および層340aからなる部分、図4Aの(b)に示す積層体22bに含まれる層320b、層330b、および層340bからなる部分、ならびに、図4Aの(d)に示す積層体22dに含まれる層320d、層330d、および層340dからなる部分は、各層に含まれる物質という点では積層体120に対応している。   A laminate 22c shown in FIG. 4C is a laminate including an example of the laminate 120 included in the above-described variable resistance element 22. Specifically, a portion including the layer 320c, the layer 330c, and the layer 340c included in the stacked body 22c corresponds to the stacked body 120 including the ferromagnetic material 210, the nonmagnetic material 220, and the ferromagnetic material 230. . On the other hand, each of the laminates shown in (a), (b), and (d) of FIG. 4A has a configuration similar to the laminate 120 included in the above-described resistance change element 22. For example, a portion including the layer 320a, the layer 330a, and the layer 340a included in the stacked body 22a illustrated in FIG. 4A (a), the layer 320b, the layer 330b included in the stacked body 22b illustrated in FIG. The portion composed of the layer 340b and the portion composed of the layer 320d, the layer 330d, and the layer 340d included in the laminated body 22d shown in FIG. 4D correspond to the laminated body 120 in terms of the substance contained in each layer. ing.

図4Bは、図4Aに示した各積層体に外部磁場を印加した際に測定された、当該各積層体のうち積層体120に対応する部分が示す磁化量の値をプロットしたグラフの一例を示している。図4Bに示すグラフでは、各積層体の層の界面に対して垂直な方向に磁場を印加した場合の磁化量の値が実線でプロットされており、また、各積層体の層の界面に対して平行な方向に磁場を印加した場合の磁化量の値が破線でプロットされている。   FIG. 4B is an example of a graph in which the value of the magnetization amount indicated by a portion corresponding to the stacked body 120 in each of the stacked bodies measured when an external magnetic field is applied to each of the stacked bodies illustrated in FIG. 4A is plotted. Is shown. In the graph shown in FIG. 4B, the value of the amount of magnetization when a magnetic field is applied in a direction perpendicular to the interface between the layers of each laminate is plotted by a solid line. The value of the amount of magnetization when a magnetic field is applied in a parallel direction is plotted by a broken line.

具体的には、図4Bの(a1)のグラフでは、積層体22aのうち層320a、層330a、および層340aからなる部分が示す磁化量の値がプロットされている。同様に、図4Bの(b1)のグラフでは、積層体22bのうち層320b、層330b、および層340bからなる部分が示す磁化量の値がプロットされており、図4Bの(c1)のグラフでは、積層体22cのうち層320c、層330c、および層340cからなる部分が示す磁化量の値がプロットされており、図4Bの(d1)のグラフでは、積層体22dのうち層320d、層330d、および層340dからなる部分が示す磁化量の値がプロットされている。   Specifically, in the graph of (a1) of FIG. 4B, the value of the magnetization amount indicated by the portion including the layer 320a, the layer 330a, and the layer 340a in the stacked body 22a is plotted. Similarly, in the graph of (b1) of FIG. 4B, the value of the amount of magnetization indicated by the portion including the layer 320b, the layer 330b, and the layer 340b in the stacked body 22b is plotted, and the graph of (c1) of FIG. In FIG. 4B, the value of the magnetization amount indicated by the portion including the layer 320c, the layer 330c, and the layer 340c in the stacked body 22c is plotted. In the graph of (d1) of FIG. The value of the magnetization amount indicated by the portion including 330d and the layer 340d is plotted.

さらに、図4Bの(a2)のグラフでは、積層体22aにおいて層330aの膜厚を小さくした場合に、層320a、層330a、および層340aからなる部分が示す磁化量の値がプロットされている。図4Bの(b2)のグラフでは、積層体22bにおいて層330bの膜厚を小さくした場合に、層320b、層330b、および層340bからなる部分が示す磁化量の値がプロットされている。   Further, in the graph of (a2) of FIG. 4B, the value of the amount of magnetization indicated by the portion including the layer 320a, the layer 330a, and the layer 340a when the thickness of the layer 330a is reduced in the stacked body 22a is plotted. . In the graph of (b2) of FIG. 4B, the value of the amount of magnetization indicated by the layer 320b, the layer 330b, and the layer 340b when the thickness of the layer 330b is reduced in the stacked body 22b is plotted.

図4Bに示すすべてのグラフにおいて、ゼロおよびその付近の大きさの外部磁場を印加した際の磁化量は、層の界面に対して垂直な方向の方が平行な方向より大きく、図4Aに示した各積層体のうち積層体120に対応する部分が垂直磁気異方性を有していることが分かる。このことから、積層体120も同様に垂直磁気異方性を有していることが分かる。   In all the graphs shown in FIG. 4B, the amount of magnetization when an external magnetic field having a magnitude of zero or near zero is larger in the direction perpendicular to the layer interface than in the direction parallel to the layer interface, and is shown in FIG. 4A. It can be seen that a portion corresponding to the laminate 120 among the respective laminates has perpendicular magnetic anisotropy. This indicates that the stacked body 120 also has perpendicular magnetic anisotropy.

[動作例]
次に、第1実施形態に係る記憶装置の書き込み動作について説明する。
[Operation example]
Next, a write operation of the storage device according to the first embodiment will be described.

以下の説明では、書き込み対象のメモリセルMCを「選択メモリセルMC」と称する。選択メモリセルMCに対応するビット線BL、ソース線/BL、およびワード線WLを各々、「選択ビット線BL」、「選択ソース線/BL」、および「選択ワード線WL」と称する。一方、選択メモリセルMCに対応しないビット線BL、ソース線/BL、およびワード線WLを各々、「非選択ビット線BL」、「非選択ソース線/BL」、および非選択ワード線WL」と称する。   In the following description, the memory cell MC to be written is referred to as “selected memory cell MC”. The bit line BL, source line / BL, and word line WL corresponding to the selected memory cell MC are referred to as "selected bit line BL", "selected source line / BL", and "selected word line WL", respectively. On the other hand, the bit line BL, source line / BL, and word line WL that do not correspond to the selected memory cell MC are referred to as “unselected bit line BL”, “unselected source line / BL”, and unselected word line WL, respectively. Name.

選択ワード線WLには、選択メモリセルMCに含まれる選択トランジスタ21をオン状態にする“H”レベルの電圧が印加される。一方、非選択ワード線WLには、対応するメモリセルMCに含まれる選択トランジスタ21をオフ状態にする“L”レベルの電圧が供給される。このような制御と、選択ビット線BLと選択ソース線/BLとの間に電位差を設けることとにより、選択メモリセルMCに含まれる抵抗変化素子22に書き込み電流を流して、図3を用いて説明したスピン注入書き込み方式により、抵抗変化素子22を低抵抗状態または高抵抗状態に設定することが可能となる。   An “H” level voltage that turns on the selection transistor 21 included in the selected memory cell MC is applied to the selected word line WL. On the other hand, an unselected word line WL is supplied with an “L” level voltage that turns off the selection transistor 21 included in the corresponding memory cell MC. By performing such control and providing a potential difference between the selected bit line BL and the selected source line / BL, a write current is caused to flow through the resistance change element 22 included in the selected memory cell MC, and FIG. According to the spin injection writing method described above, the resistance change element 22 can be set to the low resistance state or the high resistance state.

図5は、第1実施形態に係る記憶装置1において、抵抗変化素子22に書き込み電流を流して、当該抵抗変化素子22を低抵抗状態から高抵抗状態に設定する書き込み動作の一例を示す模式図である。   FIG. 5 is a schematic diagram illustrating an example of a write operation in which a write current is applied to the variable resistance element 22 to set the variable resistance element 22 from a low resistance state to a high resistance state in the storage device 1 according to the first embodiment. It is.

先ず、状態St1において、強磁性体210および230の磁化方向は、強磁性体140の磁化方向と平行になっている。このとき、抵抗変化素子22は、図3を用いて説明した低抵抗状態である。   First, in the state St1, the magnetization directions of the ferromagnetic materials 210 and 230 are parallel to the magnetization direction of the ferromagnetic material 140. At this time, the resistance change element 22 is in the low resistance state described with reference to FIG.

次に、状態St2において、書き込み電流に由来する電子eが、抵抗変化素子22の強磁性体210から強磁性体140に向かう方向に流れる。強磁性体210から強磁性体140に向かう方向に流れる電子eの多数は強磁性体210および230の磁化方向と同一の向きのスピンを有し、このような電子eは強磁性体210および230を単に通過する。一方、強磁性体210から強磁性体140に向かう方向に流れる電子eの少数は強磁性体210および230の磁化方向と反対の向きのスピンを有する。このような電子eにより、強磁性体210および230に、強磁性体140の磁化方向と反平行な磁化方向を有するスピントルクが注入される。スピントルクの注入により、強磁性体210および230の磁化方向が影響を受ける。このとき、強磁性体210および230のうち、強磁性体210の磁化方向が強磁性体140の磁化方向と反平行な方向へと先に反転を始める。強磁性体210の垂直磁気異方性磁界が強磁性体230の垂直磁気異方性磁界よりも大きいため、あるいは、強磁性体210の磁化の共鳴磁場が強磁性体230の磁化の共鳴磁場よりも大きいため、あるいは、強磁性体210の磁化のダンピング定数が強磁性体230の磁化のダンピング定数よりも大きいため、スピンの歳差の周波数が大きくなり回転速度が速くなるためである。さらに、強磁性体140からの漏れ磁場によっても、強磁性体210および230のうち、強磁性体140のより近くに位置する強磁性体230の磁化方向は反転しにくくなっている。   Next, in the state St2, the electrons e derived from the write current flow from the ferromagnetic body 210 of the resistance change element 22 toward the ferromagnetic body 140. Many of the electrons e flowing from the ferromagnetic material 210 toward the ferromagnetic material 140 have spins in the same direction as the magnetization directions of the ferromagnetic materials 210 and 230, and such electrons e Simply pass through. On the other hand, a small number of electrons e flowing from the ferromagnetic material 210 toward the ferromagnetic material 140 have spins in the direction opposite to the magnetization direction of the ferromagnetic materials 210 and 230. By such electrons e, spin torque having a magnetization direction antiparallel to the magnetization direction of the ferromagnetic material 140 is injected into the ferromagnetic materials 210 and 230. The magnetization direction of the ferromagnetic materials 210 and 230 is affected by the injection of the spin torque. At this time, of the ferromagnetic materials 210 and 230, the magnetization direction of the ferromagnetic material 210 first starts to be reversed in a direction antiparallel to the magnetization direction of the ferromagnetic material 140. The perpendicular magnetic anisotropic magnetic field of the ferromagnetic material 210 is larger than the perpendicular magnetic anisotropic magnetic field of the ferromagnetic material 230, or the magnetic resonance magnetic field of the ferromagnetic material 210 is larger than the magnetic resonance magnetic field of the ferromagnetic material 230. This is because the frequency of the precession of the spin increases and the rotation speed increases because the magnetization damping constant of the ferromagnetic material 210 is larger than the magnetization damping constant of the ferromagnetic material 230. Further, the magnetization direction of the ferromagnetic material 230 located closer to the ferromagnetic material 140 among the ferromagnetic materials 210 and 230 is unlikely to be reversed by the leakage magnetic field from the ferromagnetic material 140.

状態St3において、強磁性体210の磁化方向の反転が完了するが、その後も抵抗変化素子22に上記書き込み電流を流し続ける。   In the state St3, the reversal of the magnetization direction of the ferromagnetic material 210 is completed, but the write current continues to flow through the resistance change element 22 thereafter.

次に、状態St4では、強磁性体210等によりスピン偏極された電子eが強磁性体230に流れ込む。当該スピン偏極された電子eが強磁性体230の電子と交換相互作用する。その結果、当該スピン偏極された電子eと強磁性体230の電子とのスピントルクが発生する。強磁性体230に流れる込む電子eの多数は、強磁性体210の磁化方向と同一の向きのスピンを有する。さらに、強磁性体230から強磁性体140に向かう方向に流れる電子eの少数は強磁性体230の磁化方向と反対の向きのスピンを有する。このような電子eにより、強磁性体230に、強磁性体140の磁化方向と反平行な磁化方向を有するスピントルクが注入される。よって、スピントルクにより、強磁性体230の磁化方向も、強磁性体140の磁化方向と反平行な方向へと反転を始める。このように、強磁性体210と強磁性体230との間でSTTが生じる。   Next, in the state St4, the electrons e spin-polarized by the ferromagnetic material 210 and the like flow into the ferromagnetic material 230. The spin-polarized electron e performs exchange interaction with the electron of the ferromagnetic material 230. As a result, a spin torque of the spin-polarized electron e and the electron of the ferromagnetic material 230 is generated. Many of the electrons e flowing into the ferromagnetic material 230 have spins in the same direction as the magnetization direction of the ferromagnetic material 210. Further, a small number of the electrons e flowing from the ferromagnetic material 230 toward the ferromagnetic material 140 have spins in the direction opposite to the magnetization direction of the ferromagnetic material 230. With such electrons e, spin torque having a magnetization direction antiparallel to the magnetization direction of the ferromagnetic body 140 is injected into the ferromagnetic body 230. Therefore, due to the spin torque, the magnetization direction of the ferromagnetic material 230 also starts to reverse in a direction antiparallel to the magnetization direction of the ferromagnetic material 140. Thus, STT occurs between the ferromagnetic material 210 and the ferromagnetic material 230.

書き込み電流が供給され続けることにより、状態St5において、強磁性体230の磁化方向の反転も完了する。このとき、強磁性体210および230の磁化方向は、強磁性体140の磁化方向と反平行になっている。すなわち、抵抗変化素子22は、図3を用いて説明した高抵抗状態に設定される。   By continuing to supply the write current, in the state St5, the reversal of the magnetization direction of the ferromagnetic material 230 is also completed. At this time, the magnetization directions of the ferromagnetic materials 210 and 230 are antiparallel to the magnetization direction of the ferromagnetic material 140. That is, the resistance change element 22 is set to the high resistance state described with reference to FIG.

図6は、第1実施形態に係る記憶装置1において、抵抗変化素子22に書き込み電流を流して、当該抵抗変化素子22を高抵抗状態から低抵抗状態に設定する書き込み動作の一例を示す模式図である。   FIG. 6 is a schematic diagram illustrating an example of a write operation in which a write current is applied to the variable resistance element 22 to set the variable resistance element 22 from a high resistance state to a low resistance state in the storage device 1 according to the first embodiment. It is.

先ず、状態St6において、強磁性体210および230の磁化方向は、強磁性体140の磁化方向と反平行になっている。このとき、抵抗変化素子22は、図3を用いて説明した高抵抗状態である。   First, in the state St6, the magnetization directions of the ferromagnetic materials 210 and 230 are antiparallel to the magnetization direction of the ferromagnetic material 140. At this time, the resistance change element 22 is in the high resistance state described with reference to FIG.

次に、状態St7において、書き込み電流に由来する電子eが、抵抗変化素子22の強磁性体140から強磁性体210に向かう方向に流れる。強磁性体230に流れ込む電子eの多数は強磁性体140によりスピン偏極されて、強磁性体140の磁化方向と同一の向きのスピンを有する。このスピン偏極された電子eが強磁性体230の電子と交換相互作用する。その結果、スピン偏極された電子eと強磁性体230の電子とのスピントルクが発生する。このスピントルクにより、強磁性体230の磁化方向が、強磁性体140の磁化方向と平行な方向へと反転を始める。   Next, in the state St7, the electrons e derived from the write current flow in the direction from the ferromagnetic body 140 to the ferromagnetic body 210 of the resistance change element 22. Many of the electrons e flowing into the ferromagnetic material 230 are spin-polarized by the ferromagnetic material 140 and have a spin in the same direction as the magnetization direction of the ferromagnetic material 140. The spin-polarized electron e performs exchange interaction with the electron of the ferromagnetic material 230. As a result, a spin torque of the spin-polarized electron e and the electron of the ferromagnetic material 230 is generated. Due to this spin torque, the magnetization direction of the ferromagnetic material 230 starts to be reversed in a direction parallel to the magnetization direction of the ferromagnetic material 140.

状態St8において、強磁性体230の磁化方向の反転が完了するが、その後も抵抗変化素子22に上記書き込み電流を流し続ける。   In the state St8, the reversal of the magnetization direction of the ferromagnetic material 230 is completed, but the write current continues to flow through the resistance change element 22 thereafter.

次に、状態St9では、強磁性体230等によりスピン偏極された電子eが強磁性体210に流れ込む。当該スピン偏極された電子eが強磁性体210の電子と交換相互作用する。その結果、当該スピン偏極された電子eと強磁性体210の電子とのスピントルクが発生する。強磁性体210に流れる込む電子eの多数は、強磁性体230の磁化方向と同一の向きのスピンを有する。よって、スピントルクにより、強磁性体210の磁化方向も、強磁性体140の磁化方向と平行な方向へと反転を始める。このように、抵抗変化素子22の高抵抗状態への設定のときも、強磁性体210と強磁性体230との間でSTTが生じる。   Next, in the state St9, the electrons e spin-polarized by the ferromagnetic material 230 and the like flow into the ferromagnetic material 210. The spin-polarized electron e performs exchange interaction with the electron of the ferromagnetic material 210. As a result, a spin torque of the spin-polarized electron e and the electron of the ferromagnetic material 210 is generated. Many of the electrons e flowing into the ferromagnetic material 210 have spins in the same direction as the magnetization direction of the ferromagnetic material 230. Therefore, due to the spin torque, the magnetization direction of the ferromagnetic material 210 also starts to reverse in a direction parallel to the magnetization direction of the ferromagnetic material 140. As described above, also when the resistance change element 22 is set to the high resistance state, the STT occurs between the ferromagnetic material 210 and the ferromagnetic material 230.

書き込み電流が供給される続けることにより、状態St10において、強磁性体210の磁化方向の反転も完了する。このとき、強磁性体210および230の磁化方向は、強磁性体140の磁化方向と平行になっている。すなわち、抵抗変化素子22は、図3を用いて説明した低抵抗状態に設定される。   By continuing to supply the write current, in the state St10, the reversal of the magnetization direction of the ferromagnetic material 210 is also completed. At this time, the magnetization directions of the ferromagnetic materials 210 and 230 are parallel to the magnetization direction of the ferromagnetic material 140. That is, the resistance change element 22 is set to the low resistance state described with reference to FIG.

なお、例えばボロン添加希土類酸化物を含む非磁性体220は誘電体であるため、非磁性体220は、一般的に絶縁体と磁性体との界面に生じる電界により磁気特性を変化させる電圧制御磁気異方性(VCMA:Voltage-Controlled Magnetic Anisotropy)効果を示し得る。図5および図6を用いて説明した書き込み動作の例においては、非磁性体220によるVCMA効果を利用するようにしてもよい。例えば、状態St2における強磁性体210の磁化方向の反転、および、状態St7における強磁性体230の磁化方向の反転において、VCMA効果を利用することにより、磁化方向の反転のエネルギー障壁を下げることが可能である。   Since the nonmagnetic material 220 containing a boron-added rare earth oxide is a dielectric, for example, the nonmagnetic material 220 is generally a voltage-controlled magnetic material that changes magnetic characteristics by an electric field generated at the interface between the insulator and the magnetic material. An anisotropic (VCMA: Voltage-Controlled Magnetic Anisotropy) effect can be exhibited. In the example of the write operation described with reference to FIGS. 5 and 6, the VCMA effect by the non-magnetic body 220 may be used. For example, in the reversal of the magnetization direction of the ferromagnetic body 210 in the state St2 and the reversal of the magnetization direction of the ferromagnetic body 230 in the state St7, the energy barrier of the reversal of the magnetization direction may be reduced by using the VCMA effect. It is possible.

[効果]
2つの強磁性体を含む構造が記憶層として使用される場合、2つの強磁性体の磁化方向の反転を2つの強磁性体の間のSTTを使用することによって、効率的に行うことができ、ひいてはこのよう記憶層の書き込みの電流を低減できる。STTを使用する目的で、強磁性体の間にMgOを使用することが考えられる。図7Aは、そのような例を示し、上記第1実施形態の比較例としての例示的な積層体32の断面図である。
[effect]
When a structure including two ferromagnetic materials is used as the storage layer, the reversal of the magnetization directions of the two ferromagnetic materials can be efficiently performed by using the STT between the two ferromagnetic materials. As a result, the writing current of the storage layer can be reduced. It is conceivable to use MgO between ferromagnetic materials for the purpose of using STT. FIG. 7A shows such an example, and is a cross-sectional view of an exemplary laminate 32 as a comparative example of the first embodiment.

積層体32では、ボロン添加ガドリニウム酸化物(GdBO)層410、鉄コバルトボロン(FeCoB)層420、酸化マグネシウム(MgO)層430、鉄コバルトボロン(FeCoB)層440、酸化マグネシウム(MgO)層450の順で、各層が積層される。なお、積層体32では、図4Aの(b)に示した積層体22bと比較すると、ボロン添加ガドリニウム酸化物(GdBO)層330bの代わりに酸化マグネシウム(MgO)層430が含まれている点を除いて、他の各層は同一の構成物質および膜厚を有しているものとする。   In the laminate 32, a boron-added gadolinium oxide (GdBO) layer 410, an iron cobalt boron (FeCoB) layer 420, a magnesium oxide (MgO) layer 430, an iron cobalt boron (FeCoB) layer 440, and a magnesium oxide (MgO) layer 450 Each layer is laminated in this order. Note that the stacked body 32 includes a magnesium oxide (MgO) layer 430 instead of the boron-added gadolinium oxide (GdBO) layer 330b as compared with the stacked body 22b shown in FIG. 4B. Except for this, each of the other layers has the same constituent material and thickness.

図7Bは、図7Aに示した積層体32に外部磁場を印加した際に測定された、積層体32のうち層420、層430、および層440からなる部分が示す磁化量の値をプロットしたグラフの一例を示している。図7Bに示すグラフでは、積層体32の層の界面に対して垂直な方向に磁場を印加した場合の磁化量の値が実線でプロットされており、また、積層体32の層の界面に対して平行な方向に磁場を印加した場合の磁化量の値が破線でプロットされている。   FIG. 7B plots the value of the amount of magnetization indicated by the portion including the layer 420, the layer 430, and the layer 440 of the stack 32 measured when an external magnetic field is applied to the stack 32 illustrated in FIG. 7A. 4 shows an example of a graph. In the graph shown in FIG. 7B, the value of the amount of magnetization when a magnetic field is applied in a direction perpendicular to the interface of the layers of the stacked body 32 is plotted by a solid line. The value of the amount of magnetization when a magnetic field is applied in a parallel direction is plotted by a broken line.

具体的には、図7Bの(a)のグラフでは、積層体32のうち層420、層430、および層440からなる部分が示す磁化量の値がプロットされている。図7Bの(b)のグラフでは、層430の膜厚を小さくした場合に、層420、層430、および層440からなる部分が示す磁化量の値がプロットされている。   Specifically, in the graph of (a) of FIG. 7B, the value of the amount of magnetization indicated by the portion including the layer 420, the layer 430, and the layer 440 in the stacked body 32 is plotted. In the graph of FIG. 7B, when the thickness of the layer 430 is reduced, the value of the magnetization amount indicated by the portion including the layer 420, the layer 430, and the layer 440 is plotted.

図7Bに示すいずれのグラフにおいても、ゼロおよびその付近の大きさの外部磁場を印加した際の磁化量は、層の界面に対して平行な方向の方が垂直な方向より大きく、図7Aに示した積層体32のうち、強磁性体である鉄コバルトボロン(FeCoB)層420および440が、垂直磁気異方性を有していないことが分かる。このため、複数の強磁性体を含む記憶層の強磁性体の間にMgOを使用すると、このような構造を垂直磁化を有する記憶層として使用することができない。   In any of the graphs shown in FIG. 7B, the amount of magnetization when an external magnetic field having a magnitude of zero or near zero is applied is larger in the direction parallel to the layer interface than in the direction perpendicular thereto. It can be seen that, of the laminated body 32 shown, the iron cobalt boron (FeCoB) layers 420 and 440, which are ferromagnetic substances, do not have perpendicular magnetic anisotropy. Therefore, when MgO is used between the ferromagnetic materials of the storage layer including a plurality of ferromagnetic materials, such a structure cannot be used as a storage layer having perpendicular magnetization.

これに対して、上記第1実施形態に係る記憶装置1では、記憶層として機能する積層体120は、強磁性体210、ボロン添加希土類酸化物を含む非磁性体220、および強磁性体230を含む。このような積層体120では、強磁性体210および230は垂直磁気異方性を有する。このため、垂直磁化を有する記憶層が実現できる。   On the other hand, in the storage device 1 according to the first embodiment, the stacked body 120 functioning as a storage layer includes the ferromagnetic material 210, the non-magnetic material 220 including the boron-doped rare earth oxide, and the ferromagnetic material 230. Including. In such a laminate 120, the ferromagnetic materials 210 and 230 have perpendicular magnetic anisotropy. Therefore, a storage layer having perpendicular magnetization can be realized.

非磁性体220としてMgOを用いた場合に比べボロン添加希土類酸化物を用いた場合において高い垂直磁気異方性が得られるのは希土類酸化物が高いボロン吸収能力を有するためである。図3の積層膜を堆積後、例えば熱処理を施すと強磁性体210、強磁性体230中のボロンは非磁性体220中に吸収され、非磁性体220は、強磁性体210、強磁性体230より高いボロン濃度を有するボロン添加希土類酸化物となる。非磁性体220中に蓄積されたボロンにより非磁性体220はアモルファス状態となり、強磁性体210、強磁性体230は結晶化した状態となる。その結果、非磁性体220にボロン添加希土類酸化物を用いた場合、強磁性体210、強磁性体230の残留ホウ素は非磁性体220としてMgOを用いた場合に比べ少なくなり、かつ歪みが緩和され、さらに結晶化が促進されるため高い垂直磁気異方性磁界が得られる。   The higher perpendicular magnetic anisotropy is obtained when the boron-added rare earth oxide is used as compared with the case where MgO is used as the non-magnetic material 220, because the rare earth oxide has a higher boron absorption capacity. After depositing the laminated film of FIG. 3, for example, when heat treatment is performed, boron in the ferromagnetic material 210 and the ferromagnetic material 230 is absorbed in the non-magnetic material 220, and the non-magnetic material 220 is It becomes a boron-added rare earth oxide having a boron concentration higher than 230. The non-magnetic material 220 becomes amorphous due to boron accumulated in the non-magnetic material 220, and the ferromagnetic material 210 and the ferromagnetic material 230 become crystallized. As a result, when the boron-added rare earth oxide is used for the nonmagnetic material 220, the residual boron of the ferromagnetic material 210 and the ferromagnetic material 230 is smaller than when MgO is used as the nonmagnetic material 220, and the strain is reduced. Then, crystallization is further promoted, so that a high perpendicular magnetic anisotropic magnetic field can be obtained.

さらに、上記第1実施形態に係る記憶装置1によれば、積層体120の磁化の反転は、以下に説明するように、比較的低い書き込み電流を用いて実現することが可能となる。   Further, according to the storage device 1 according to the first embodiment, the reversal of the magnetization of the stacked body 120 can be realized using a relatively low write current, as described below.

一般的に、強磁性体の磁化方向の反転では、強磁性体の熱擾乱耐性に対応するエネルギーを超える大きさの書き込み電流を与える必要がある。一方、強磁性体210および230の、垂直磁気異方性磁界(Hk)、磁化の共鳴磁場(Hr)、および(または)磁化のダンピング定数(α)、ならびに(あるいは)磁化量(Mst)は、上述したような大小関係を有する。これにより、図5および図6を用いて説明したように、強磁性体210および230の各々の磁化方向の反転を順に独立して始めさせることができる。このため、図5および図6を用いて説明したように、強磁性体210および230の間のSTTを利用して強磁性体210および230の磁化を反転させることによって、積層体120の磁化方向を反転させることができる。よって、第1実施形態での書き込み電流は、強磁性体210および230の、垂直磁気異方性磁界、磁化の共鳴磁場、および(または)磁化のダンピング定数、ならびに(あるいは)磁化量が同一である場合の書き込み電流よりも低い。   Generally, in reversing the magnetization direction of a ferromagnetic material, it is necessary to apply a write current having a magnitude exceeding the energy corresponding to the thermal disturbance resistance of the ferromagnetic material. On the other hand, the perpendicular magnetic anisotropic magnetic field (Hk), the magnetic resonance magnetic field (Hr), and / or the magnetization damping constant (α), and / or the magnetization amount (Mst) of the ferromagnetic materials 210 and 230 are Have the magnitude relationship as described above. As a result, as described with reference to FIGS. 5 and 6, the reversal of the magnetization direction of each of the ferromagnetic materials 210 and 230 can be started independently in order. Therefore, as described with reference to FIGS. 5 and 6, by inverting the magnetization of the ferromagnetic materials 210 and 230 using the STT between the ferromagnetic materials 210 and 230, the magnetization direction of the stacked body 120 is changed. Can be inverted. Therefore, the write current in the first embodiment is the same when the ferromagnetic materials 210 and 230 have the same perpendicular magnetic anisotropy magnetic field, magnetization resonance magnetic field, and / or magnetization damping constant, and / or magnetization amount. It is lower than the write current in some cases.

さらに、例えばボロン添加希土類酸化物を含む非磁性体220によるVCMA効果を利用することにより、積層体120の磁化方向の反転のエネルギー障壁をさらに下げることも可能である。   Furthermore, by using the VCMA effect of the nonmagnetic material 220 containing, for example, a boron-added rare earth oxide, the energy barrier for reversing the magnetization direction of the stacked body 120 can be further reduced.

[変形例]
上記第1実施形態において、例えばボロン添加希土類酸化物を含む非磁性体220によるVCMA効果を利用して積層体120の磁化方向の反転のエネルギー障壁を下げることについて説明した。例えば、VCMA効果と同様に電圧降下を用いてエネルギー障壁を下げることを実現する方法として次のような方法を用いてもよい。
[Modification]
In the first embodiment, the reduction of the energy barrier for reversing the magnetization direction of the stacked body 120 using the VCMA effect of the nonmagnetic body 220 containing, for example, a boron-added rare earth oxide has been described. For example, the following method may be used as a method for reducing the energy barrier by using a voltage drop similarly to the VCMA effect.

例えば、強磁性体210を、イリジウム(Ir)を含むように構成してもよい。また、強磁性体230を、白金(Pt)を含むように構成してもよい。これにより、VCMA効果と同様に電圧降下が実現され、したがって、積層体120の磁化方向の反転のエネルギー障壁をさらに下げることが可能となる。   For example, the ferromagnetic material 210 may be configured to include iridium (Ir). Further, the ferromagnetic material 230 may be configured to include platinum (Pt). As a result, a voltage drop is realized similarly to the VCMA effect, and therefore, the energy barrier for reversing the magnetization direction of the stacked body 120 can be further reduced.

<他の実施形態>
本明細書において“接続”とは、電気的に接続されている事を示し、例えば間に別の素子を介することを除外しない。
<Other embodiments>
In this specification, the term “connection” indicates that the elements are electrically connected, and does not exclude the case where another element is interposed therebetween.

上述した第1実施形態および変形例で説明した抵抗変化素子は、例えば記憶層として機能する積層体が、例えば参照層として機能する強磁性体よりも下方に設けられるボトムフリー型である場合について説明をしたが、これに限定されない。例えば、抵抗変化素子は、例えば記憶層として機能する積層体が、例えば参照層として機能する強磁性体よりも上方に設けられるトップフリー型であってもよい。   The variable resistance element described in the above-described first embodiment and the modified example is, for example, a case in which a laminate functioning as a storage layer is a bottom-free type provided below a ferromagnetic material functioning as a reference layer, for example. But is not limited to this. For example, the resistance change element may be of a top-free type in which, for example, a laminate functioning as a storage layer is provided above a ferromagnetic material functioning as a reference layer, for example.

また、上述した第1実施形態および変形例では、抵抗変化素子を備える記憶装置の一例として、MTJ素子を備える磁気記憶装置について説明したが、これらの実施形態等に係る装置はこれに限定されない。例えば、これらの実施形態等に係る装置は、センサやメディア等の垂直磁気異方性を有する磁気素子を必要とする他のデバイスを含む。当該磁気素子は、例えば、図3を用いて説明したような、例えば記憶層として機能する、2つの強磁性体およびその間に設けられた非磁性体を含む積層体を、少なくとも含む素子である。また、例えば下地層として機能するとして説明した非磁性体は、導電性を有していればよく、非磁性体に限らず強磁性体であってもよい。   Further, in the above-described first embodiment and the modifications, the magnetic storage device including the MTJ element has been described as an example of the storage device including the variable resistance element. However, the devices according to these embodiments and the like are not limited thereto. For example, the devices according to these embodiments and the like include other devices that require a magnetic element having perpendicular magnetic anisotropy, such as sensors and media. The magnetic element is an element including at least a stacked body including two ferromagnetic materials and a nonmagnetic material provided between the two ferromagnetic materials functioning as, for example, a storage layer, as described with reference to FIG. Further, for example, the non-magnetic material described as functioning as the underlayer may have conductivity, and is not limited to a non-magnetic material and may be a ferromagnetic material.

さらに、上述の第1実施形態において説明した書き込み動作では、書き込み電流を制御して抵抗変化素子への書き込みを行う動作について説明したが、これに限定されない。例えば、書き込み動作では、書き込み電流の制御と書き込み電圧の制御とを組み合わせて用いるようにしてもよい。   Furthermore, in the write operation described in the above-described first embodiment, the operation of controlling the write current to perform writing to the variable resistance element has been described, but the present invention is not limited to this. For example, in the write operation, control of the write current and control of the write voltage may be used in combination.

上述の実施形態ではスイッチング素子として3端子の選択トランジスタを用いた構成で説明しているが、スイッチング素子は、例えば、2端子間スイッチ素子であってもよい。
2端子間に印加する電圧が閾値以下の場合、そのスイッチ素子は“高抵抗”状態、例えば電気的に非導通状態である。2端子間に印加する電圧が閾値以上の場合、スイッチ素子は“低抵抗”状態、例えば電気的に導通状態に変わる。
In the above embodiment, a configuration using a three-terminal selection transistor as the switching element has been described, but the switching element may be, for example, a two-terminal switch element.
When the voltage applied between the two terminals is equal to or less than the threshold, the switch element is in a “high resistance” state, for example, is electrically non-conductive. When the voltage applied between the two terminals is equal to or higher than the threshold, the switch element changes to a “low resistance” state, for example, an electrically conductive state.

スイッチ素子は、電圧がどちらの極性でもこの機能を有していてもよい。すなわち、2端子間スイッチ素子は、双方向において、上述した機能を有していてもよい。   The switch element may have this function regardless of the polarity of the voltage. That is, the two-terminal switch element may have the above-described function in both directions.

このスイッチ素子は、例えば、Te、SeおよびSからなる群より選択された少なくとも1種以上のカルコゲン元素を含んでもよい。または、上記カルコゲン元素を含む化合物であるカルコゲナイドを含んでいてもよい。このスイッチ素子は、他にも、B、Al、Ga、In、C、Si、Ge、Sn、As、P、Sbからなる群より選択された少なくとも1種以上の元素を含んでもよい。   The switch element may include, for example, at least one or more chalcogen elements selected from the group consisting of Te, Se, and S. Alternatively, chalcogenide, which is a compound containing the chalcogen element, may be included. The switch element may further include at least one element selected from the group consisting of B, Al, Ga, In, C, Si, Ge, Sn, As, P, and Sb.

このような2端子間スイッチ素子は、上述の実施形態のように、2つのコンタクトプラグを介して、磁気抵抗効果素子に接続される。2つのコンタクトプラグのうち、磁気抵抗効果素子側のコンタクトプラグは、例えば、銅を含む。磁気抵抗効果素子と銅を含むコンタクトプラグとの間に、導電層(例えば、タンタルを含む層)が設けられてもよい。   Such a switch between two terminals is connected to a magnetoresistive element via two contact plugs as in the above-described embodiment. Of the two contact plugs, the contact plug on the magnetoresistive element side contains, for example, copper. A conductive layer (for example, a layer containing tantalum) may be provided between the magnetoresistive element and the contact plug containing copper.

上記ではいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態およびその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   Although several embodiments have been described above, these embodiments have been presented by way of example only, and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in other various forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the invention described in the claims and their equivalents.

1…記憶装置、11…メモリセルアレイ、12…カレントシンク、13…センスアンプおよび書き込みドライバ、14…ロウデコーダ、15…ページバッファ、16…入出力回路、17…制御部、20…半導体基板、21…選択トランジスタ、22…抵抗変化素子、23,28,30…配線層、24…ソース領域またはドレイン領域、25…絶縁層、26,27,29…コンタクトプラグ、31…層間絶縁膜、110,130,220…非磁性体、120…積層体、140,210,230…強磁性体、310a,350a,350b,350c,310d,350d,430,450…酸化マグネシウム(MgO)層、320a,340a,320b,340b,320c,340c,320d,340d,420,440…鉄コバルトボロン(FeCoB)層、330a,310b,330b,330c,410…ボロン添加ガドリニウム酸化物(GdBO)層、310c…ハフニウムボロン(HfB)層、330d…ボロン添加ガドリニウムコバルト酸化物(GdCoBO)層、SA…センスアンプ、WD…書き込みドライバ、MC…メモリセル、BL…ビット線、/BL…ソース線、WL…ワード線   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Storage device, 11 ... Memory cell array, 12 ... Current sink, 13 ... Sense amplifier and write driver, 14 ... Row decoder, 15 ... Page buffer, 16 ... Input / output circuit, 17 ... Control part, 20 ... Semiconductor substrate, 21 ... Select transistor, 22. Resistance change element, 23, 28, 30. Wiring layer, 24. Source or drain region, 25. Insulating layer, 26, 27, 29 .. Contact plug, 31 .. Interlayer insulating film, 110, 130 , 220: non-magnetic material, 120: laminated body, 140, 210, 230 ... ferromagnetic material, 310a, 350a, 350b, 350c, 310d, 350d, 430, 450 ... magnesium oxide (MgO) layer, 320a, 340a, 320b , 340b, 320c, 340c, 320d, 340d, 420, 440... (FeCoB) layer, 330a, 310b, 330b, 330c, 410: boron-added gadolinium oxide (GdBO) layer, 310c: hafnium boron (HfB) layer, 330d: boron-added gadolinium cobalt oxide (GdCoBO) layer, SA: Sense amplifier, WD: Write driver, MC: Memory cell, BL: Bit line, / BL: Source line, WL: Word line

Claims (10)

抵抗変化素子を具備し、
前記抵抗変化素子は、第1強磁性体と、第2強磁性体と、前記第1強磁性体および前記第2強磁性体の間に設けられた、ボロン添加希土類酸化物を含む第1非磁性体とを含む積層体を備える、
記憶装置。
Equipped with a variable resistance element,
The variable resistance element includes a first ferromagnetic material, a second ferromagnetic material, and a first non-magnetic material including a boron-added rare earth oxide provided between the first ferromagnetic material and the second ferromagnetic material. A laminate including a magnetic material,
Storage device.
前記第1強磁性体、前記第1非磁性体、および前記第2強磁性体は、磁気トンネル接合を形成している、請求項1に記載の記憶装置。   2. The storage device according to claim 1, wherein the first ferromagnetic material, the first non-magnetic material, and the second ferromagnetic material form a magnetic tunnel junction. 前記抵抗変化素子は、第3強磁性体と、前記積層体および前記第3強磁性体の間に設けられた第2非磁性体とを備え、
前記第2非磁性体は、前記第2強磁性体に対して前記第1非磁性体とは反対側にあり、
前記第1強磁性体の垂直磁気異方性磁界(Hk)は、前記第2強磁性体の垂直磁気異方性磁界より大きい、請求項2に記載の記憶装置。
The variable resistance element includes a third ferromagnetic material, and a second non-magnetic material provided between the stacked body and the third ferromagnetic material,
The second nonmagnetic material is on the opposite side of the second ferromagnetic material from the first nonmagnetic material,
3. The storage device according to claim 2, wherein a perpendicular magnetic anisotropic magnetic field (Hk) of the first ferromagnetic material is larger than a perpendicular magnetic anisotropic magnetic field of the second ferromagnetic material.
前記抵抗変化素子は、第3強磁性体と、前記積層体および前記第3強磁性体の間に設けられた第2非磁性体とを備え、
前記第2非磁性体は、前記第2強磁性体に対して前記第1非磁性体とは反対側にあり、
前記第1強磁性体の磁化の共鳴磁場(Hr)は、前記第2強磁性体の磁化の共鳴磁場より大きい、請求項2に記載の記憶装置。
The variable resistance element includes a third ferromagnetic material, and a second non-magnetic material provided between the stacked body and the third ferromagnetic material,
The second nonmagnetic material is on the opposite side of the second ferromagnetic material from the first nonmagnetic material,
The storage device according to claim 2, wherein a resonance magnetic field (Hr) of the magnetization of the first ferromagnetic material is larger than a resonance magnetic field of the magnetization of the second ferromagnetic material.
前記抵抗変化素子は、第3強磁性体と、前記積層体および前記第3強磁性体の間に設けられた第2非磁性体とを備え、
前記第2非磁性体は、前記第2強磁性体に対して前記第1非磁性体とは反対側にあり、
前記第1強磁性体のダンピング定数(α)は、前記第2強磁性体のダンピング定数より大きい、請求項2に記載の記憶装置。
The variable resistance element includes a third ferromagnetic material, and a second non-magnetic material provided between the stacked body and the third ferromagnetic material,
The second nonmagnetic material is on the opposite side of the second ferromagnetic material from the first nonmagnetic material,
The storage device according to claim 2, wherein a damping constant (α) of the first ferromagnetic material is larger than a damping constant of the second ferromagnetic material.
前記抵抗変化素子は、第3強磁性体と、前記積層体および前記第3強磁性体の間に設けられた第2非磁性体とを備え、
前記第2非磁性体は、前記第2強磁性体に対して前記第1非磁性体とは反対側にあり、
前記第1強磁性体の磁化量(Mst)は、前記第2強磁性体の磁化量より小さい、請求項2に記載の記憶装置。
The variable resistance element includes a third ferromagnetic material, and a second non-magnetic material provided between the stacked body and the third ferromagnetic material,
The second nonmagnetic material is on the opposite side of the second ferromagnetic material from the first nonmagnetic material,
The storage device according to claim 2, wherein a magnetization amount (Mst) of the first ferromagnetic material is smaller than a magnetization amount of the second ferromagnetic material.
前記第1強磁性体の飽和磁化(Ms)は、前記第2強磁性体の飽和磁化より小さい、請求項6に記載の記憶装置。   The storage device according to claim 6, wherein a saturation magnetization (Ms) of the first ferromagnetic material is smaller than a saturation magnetization of the second ferromagnetic material. 前記抵抗変化素子は、第3強磁性体と、前記積層体および前記第3強磁性体の間に設けられた第2非磁性体とを備え、
前記第2非磁性体は、前記第2強磁性体に対して前記第1非磁性体とは反対側にあり、
少なくとも、前記第1強磁性体はイリジウム(Ir)を含む、または、前記第2強磁性体は白金(Pt)を含む、請求項2に記載の記憶装置。
The variable resistance element includes a third ferromagnetic material, and a second non-magnetic material provided between the stacked body and the third ferromagnetic material,
The second nonmagnetic material is on the opposite side of the second ferromagnetic material from the first nonmagnetic material,
The storage device according to claim 2, wherein at least the first ferromagnetic material includes iridium (Ir), or the second ferromagnetic material includes platinum (Pt).
前記第1非磁性体は、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、プロメチウム(Pm)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、およびルテチウム(Lu)のうち少なくとも1つを含む、請求項1に記載の記憶装置。   The first non-magnetic material includes scandium (Sc), yttrium (Y), lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), promethium (Pm), samarium (Sm), europium ( Eu), at least one of gadolinium (Gd), terbium (Tb), dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb), and lutetium (Lu) The storage device according to claim 1. 前記抵抗変化素子を含むメモリセルをさらに備える、請求項1に記載の記憶装置。   The storage device according to claim 1, further comprising a memory cell including the variable resistance element.
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